微噴射3D打印設(shè)備噴射系統(tǒng)調(diào)控與試驗(yàn)檢測分析

黃雙君，葉春生

（1.湖北美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

1 前言

微噴射黏結(jié)成形設(shè)備的噴射裝置是整個(gè)技術(shù)的核心部件。壓電式噴頭是微噴射黏結(jié)成形技術(shù)最常用的噴頭之一，采用了按需噴射的方式，利用打印指令或電脈沖信號傳到噴嘴液體腔中的壓電傳感器，使內(nèi)部墨水受到壓力按照需求擠出噴頭。壓電式噴頭噴射的墨水可達(dá)微米級，快速均勻，使用壽命長。

目前，國外對微噴射黏結(jié)成形設(shè)備的研究主要集中在噴頭的改進(jìn)和工藝的優(yōu)化。世界上現(xiàn)有的噴頭生產(chǎn)商主要包括英國3D System公司、美國Spectra公司和日本konica公司等。英國3D System公司推出的Projet型號打印機(jī)為全彩色系列，有5個(gè)打印噴頭，分辨率可達(dá)600×540dpi。美國Spectra公司生產(chǎn)的SX3-128噴頭內(nèi)部與油墨相接觸的部位，采用特殊鋼材，在抵抗油墨腐蝕作用的同時(shí)，使其承受噴墨時(shí)的壓電壓力能力增強(qiáng)。日本konica公司的噴頭采用雙排進(jìn)墨管，使墨水進(jìn)入墨管后的流量和壓力更加均勻，改善噴射時(shí)的效果。由于噴頭的生產(chǎn)制造工藝難度大，國內(nèi)對壓電式噴頭的研究集中在噴頭控制系統(tǒng)。國內(nèi)的華中科技大學(xué)、清華大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校都對微噴射黏結(jié)成形技術(shù)進(jìn)行了研究。其中西安交通大學(xué)的盧秉恒等人設(shè)計(jì)了一種壓電式噴頭控制系統(tǒng)，并研究了驅(qū)動電壓對噴射效果的影響。

本文主要研究微噴射3D打印中噴射系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)以及檢測分析。噴射系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)信號檢測及反饋。

2 噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

微噴射3D打印設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，所采用的噴射裝置為愛普生公司（Epson）L310的按需壓電式噴頭及相應(yīng)組件（圖2）改進(jìn)而來。表1列出了L310噴墨打印機(jī)的技術(shù)參數(shù)。L310噴墨打印機(jī)的分辨率為5760×1440dpi，墨水從噴頭底部黃色金屬片的微米級孔中噴射而出，可以快速地打印出對精度要求要高的成形體。噴射裝置的組成部分有L310噴頭及其組件、噴頭控制板、噴頭編碼器、墨盒、墨盒導(dǎo)管、光柵條、支架等。

表1 噴頭技術(shù)參數(shù)

圖1 微噴射3D打印設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 噴頭實(shí)物圖

3 噴射裝置的方案設(shè)計(jì)

噴射裝置的方案設(shè)計(jì)主要包括噴頭運(yùn)動方向X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制分析以及增量式光電編碼器檢測。噴射裝置控制的重點(diǎn)是噴頭黏結(jié)劑合理的噴射和Y軸步進(jìn)運(yùn)動。噴射裝置的方案設(shè)計(jì)包含以下兩個(gè)方面：

3.1 噴頭裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制分析

在噴頭裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)中，除了噴頭、導(dǎo)軌、墨盒、噴頭控制面板、步進(jìn)電機(jī)等必要的結(jié)構(gòu)外，還需要增量式光電編碼器作為連接噴頭打印和X軸運(yùn)動的橋梁，以及編碼器傳感器對增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，記錄噴頭是否打印完一行。接通電源后，電源上位機(jī)給噴頭控制面板發(fā)送打印信號。噴頭控制面板收到打印信號后，開始檢測墨量和X軸是否運(yùn)動流暢。當(dāng)檢測正常后，噴頭控制面板亮綠燈表示噴頭可以開始正常打印，按照設(shè)置的要求X軸打印完一行后，增量式光電編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器傳感器對增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。增量式光電編碼器的編碼盤上有刻孔和明暗相間的條紋，可以輸出脈沖方波。輸出光信號后通過編碼器傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，最后輸出成可以正反轉(zhuǎn)的矩形脈沖，判定噴頭是否打印完一行。當(dāng)打印完一行后，根據(jù)編碼器的計(jì)數(shù)情況反饋給Y軸步進(jìn)運(yùn)動，直到打印完一層為止，如圖3和圖4。

圖3 增量式光電編碼器

圖4 噴射裝置控制邏輯圖

3.2 增量式光電編碼器檢測

增量式光電編碼器檢測與反饋電路設(shè)計(jì)是為了將噴頭的打印和三軸的運(yùn)動合理銜接。噴頭在X軸上的往復(fù)運(yùn)動是通過增量式光電編碼器和傳感器進(jìn)行檢測和計(jì)數(shù)，當(dāng)一層打印完成后，主控制板對噴頭控制板發(fā)送高電平信號，伺服電機(jī)則會判斷當(dāng)前層數(shù)是否小于或等于設(shè)定層數(shù)。當(dāng)未打印完成即當(dāng)前層數(shù)小于設(shè)定層數(shù)時(shí)，伺服電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行Y軸的步進(jìn)運(yùn)動，Z軸繼續(xù)下移一層進(jìn)行鋪粉運(yùn)動。直到當(dāng)前層數(shù)等于設(shè)定層數(shù)，主控制板對噴頭控制板發(fā)送低平信號，完成整個(gè)打印過程。

噴射裝置采用的是220V交流供電電源線，可以使用USB通信接口，上位機(jī)還可以直接調(diào)用噴墨控制系統(tǒng)的驅(qū)動程序，從而避免重新設(shè)計(jì)的麻煩，還可以進(jìn)一步對驅(qū)動程序進(jìn)行優(yōu)化。

4 打印測試

為了測試本文開發(fā)的微噴射黏結(jié)成形控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性、設(shè)備成形精度和成形速度，本研究在所開發(fā)的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了圓錐齒輪成形試驗(yàn)（圖5），觀察成形時(shí)的設(shè)備狀態(tài)，記錄成形件的表面質(zhì)量，獲得設(shè)備的打印速度和成形精度。并進(jìn)行了72h連續(xù)運(yùn)行測試，觀察設(shè)備運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。在72h連續(xù)運(yùn)行測試期間，控制系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生錯(cuò)誤。

圖5 齒輪樣品圖

在本次成形試驗(yàn)過程中，所用試驗(yàn)粉末為氧化鈣，由江西泛美亞公司生產(chǎn)，平均粒徑D50=1μm。使用連續(xù)打印模式，將層間距設(shè)置為0.10mm，每層連續(xù)進(jìn)行兩次打印，使用彩打模式，顏色設(shè)置為綠色。每組實(shí)驗(yàn)有4個(gè)打印件，對每個(gè)樣品均采用邊緣向內(nèi)增寬3個(gè)像素，邊緣多打印兩次。結(jié)果表明：鋪粉面平整光滑，未出現(xiàn)刮粉或者鋪粉層裂開的現(xiàn)象；成形臺升降運(yùn)動平穩(wěn)無噪聲；噴頭X軸運(yùn)動和Y軸步進(jìn)匹配良好，未出現(xiàn)失步或者振動現(xiàn)象。在成形過程中，每層打印時(shí)間（從層降到鋪粉，再到打印完成），耗時(shí)約25s。

成形樣品尺寸與三維模型尺寸的對比后發(fā)現(xiàn)，微噴射3D打印樣品尺寸精度較高，尺寸誤差在±0.14mm以內(nèi)。微噴射3D打印成形樣品表面比較光滑，成型精度高，成形樣品只有極少數(shù)地方存在小缺口和突出的小毛刺。主要是由于邊緣區(qū)域黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)度不足，而引起粉末脫落，進(jìn)行邊緣增強(qiáng)可以有效降低缺口和毛刺現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

本文主要對噴頭裝備方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，并對工作狀態(tài)信號檢測及反饋。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化后只保留噴頭、同步帶、支架、導(dǎo)軌、墨盒、墨水導(dǎo)管、噴頭控制板、步進(jìn)電機(jī)和增量式編碼器。通過主控電路板檢測增量式編碼器的脈沖信號，并給噴頭控制板發(fā)送有紙低電平，檢測噴頭打印裝置和運(yùn)動裝置的相互配合。設(shè)備長時(shí)間的打印測試中，打印過程流暢，運(yùn)行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，效果比較理想。鋪粉均勻平整，無刮粉現(xiàn)象，效率較高，打印速度25s/層。樣品表面光滑，尺寸誤差在±0.14mm以內(nèi)。